Vật liệu mới có thể chế tạo như nhựa, nhưng lại có tính dẫn điện như kim loại

Các nhà khoa học của Đại học Chicago Mỹ phát minh ra phương pháp tạo ra một loại vật liệu có thể được chế tạo như nhựa, nhưng dẫn điện tương tự như kim loại.

 Mô phỏng mạng tinh thể. Ảnh minh họa bởi Frank Wegloski/ ScieTech Daily.

Mô phỏng mạng tinh thể. Ảnh minh họa bởi Frank Wegloski/ ScieTech Daily.

Công trình nghiên cứu của nhóm nhà khoa học đã tìm ra phương pháp tạo ra một loại vật liệu mà cấu trúc là các mảnh phân tử lộn xộn và rối loạn, nhưng vẫn có thể dẫn điện rất tốt. Kết quả nghiên cứu được đăng trong một báo cáo khoa học, xuất bản ngày 26/10 trên tạp chí Nature.

Phát hiện này đi ngược lại tất cả các quy tắc về độ dẫn điện, đối với một nhà khoa học, điều này tương tự như việc một chiếc ô tô đang lái trên mặt nước mà vẫn đi được 70 dặm/giờ. Nhưng phát hiện cũng có thể chứng minh là cực kỳ hữu ích. Thông thường, trên hành trình phát minh một vấn đề mang tính cách mạng, quá trình đầu tiên bắt đầu bằng việc khám phá ra một vật liệu hoàn toàn mới.

John Anderson, PGS hóa học tại Đại học Chicago, tác giả cao cấp của công trình nghiên cứu nói: “Về nguyên tắc, phát hiện này mở ra khả năng thiết kế một loại vật liệu hoàn toàn mới dẫn điện, dễ tạo hình và rất bền trong các điều kiện hoạt động hàng ngày.”

“Kết quả của công trình nghiên cứu gợi ý những khả năng mới cho một nhóm vật liệu công nghệ cực kỳ quan trọng,” TS Jiaze Xie tại Princeton, tác giả chính của báo cáo khoa học cho biết.

Không có một lý thuyết vững chắc nào giải thích kết quả này

Trong quá trình sản xuất bất kỳ loại thiết bị điện tử nào, dù đó là iPhone, bảng điều khiển năng lượng mặt trời hay tivi, vấn đề đặt ra đầu tiên là vật liệu dẫn điện. Kim loại như đồng, vàng, nhôm cho đến nay là nhóm chất dẫn điện lâu đời nhất và có nhiều nhất. Khoảng 50 năm trước, các nhà khoa học chế tạo những chất dẫn điện làm từ vật liệu hữu cơ, sử dụng phương pháp xử lý hóa học được gọi là “pha tạp”, rắc các nguyên tử hoặc “tạp chất” khác nhau lên khắp vật liệu. Những vật liệu này linh hoạt hơn và dễ gia công hơn các kim loại thông thường, ưu thế này khiến vật liệu tổng hợp rất hấp dẫn, nhưng có nhược điểm là không ổn định, có thể mất tính dẫn điện nếu tiếp xúc với độ ẩm hoặc nếu nhiệt độ tăng quá cao.

Về nguyên tắc, cả dây dẫn điện kim loại truyền thống và hữu cơ đều có chung một đặc điểm. Cấu trúc vật liệu được tạo thành từ các lớp nguyên tử hoặc phân tử thẳng hàng, xếp khít nhau. Cấu trúc này cho phép các electron dễ dàng di chuyển qua vật liệu tương tự như những chiếc ô tô trên đường cao tốc. Các nhà khoa học cho rằng, vật liệu phải có những hàng thẳng hàng, chỉ có trật tự này mới khiến vật liệu dẫn điện hiệu quả.

Cấu trúc của vật liệu mới. Nguyên tử niken có màu xanh lục, nguyên tử cacbon có màu xám và nguyên tử lưu huỳnh có màu vàng. Ảnh minh họa Xie et al

Cấu trúc của vật liệu mới. Nguyên tử niken có màu xanh lục, nguyên tử cacbon có màu xám và nguyên tử lưu huỳnh có màu vàng. Ảnh minh họa Xie et al

Trong nghiên cứu, TS Xie bắt đầu thử nghiệm với một số vật liệu được phát hiện từ nhiều năm trước, nhưng phần lớn bị bỏ qua. Ông xâu chuỗi các nguyên tử niken giống như ngọc trai thành một sợi dây xuyên qua các hạt phân tử làm từ cacbon và lưu huỳnh và bắt đầu thử nghiệm.

Trước sự ngạc nhiên của các nhà khoa học, vật liệu này dẫn điện dễ dàng và mạnh mẽ. Đồng thời vật liệu rất ổn định. “Chúng tôi đã đốt nóng, làm lạnh, cho tiếp xúc với không khí và độ ẩm, thậm chí nhỏ axit và bazơ vào nhưng không có gì xảy ra,” Xie nói. Điều đó vô cùng quan trọng đối với một thiết bị, hoạt động trong môi trường thực tế.

Nhưng điều đáng chú ý nhất đối với các nhà khoa học là cấu trúc phân tử của vật liệu này bị rối loạn. PGS Anderson nói: “Từ một bức tranh cơ bản, vật liệu này không thể là kim loại. Không có một lý thuyết vững chắc nào để giải thích điều này."

Xie, Anderson cùng các nhà nghiên cứu phòng thí nghiệm làm việc với các nhà khoa học khác xung quanh trường đại học để cố gắng tìm hiểu, cách vật liệu có thể dẫn điện. Sau nhiều thử nghiệm, mô phỏng và nghiên cứu lý thuyết, nhóm nghiên cứu cho rằng, vật liệu mới tạo thành các lớp liên tiếp, giống như các tấm trong món lasagna (mỳ nướng kiểu Ý). Ngay cả khi các lớp quay sang các bên khác nhau, không còn tạo thành một chồng lasagna gọn gàng, những electron vẫn có thể di chuyển theo chiều ngang hoặc chiều dọc, miễn là các lớp chạm vào nhau.

Kết quả cuối cùng là cấu trúc chưa từng có đối với một vật liệu dẫn điện. PGS Anderson nói: “Nó gần giống như Play-Doh (bộ ghép hình) dẫn điện, xếp đặt vào vị trí và vật liệu mới dẫn điện.”

Các nhà khoa học rất hào hứng với kết quả này vì khám phá này cho thấy một nguyên tắc thiết kế mới về cơ bản cho công nghệ điện tử với các lớp vật liệu xếp chồng lên nhau và phát hiện mới này sẽ mở ra những công nghệ mới.

Một trong những đặc điểm hấp dẫn của vật liệu là các lựa chọn mới để chế tạo. Ví dụ như kim loại thường phải được nấu chảy để chế tạo thành hình dạng phù hợp cho một con chip hoặc thiết bị. Yêu cầu này hạn chế những gì có thể tạo ra với chúng, vì những thành phần khác của thiết bị phải có khả năng chịu nhiệt cần thiết để xử lý những vật liệu này trong quá trình chế tạo.

Phòng thí nghiệm Anderson tại Đại học Chicago. Nguồn: Ảnh của John Zich / Đại học Chicago

Phòng thí nghiệm Anderson tại Đại học Chicago. Nguồn: Ảnh của John Zich / Đại học Chicago

Vật liệu mới không có hạn chế như vậy do có thể được chế tạo ở nhiệt độ phòng. Vật liệu mới có thể được sử dụng khi nhu cầu về một thiết bị hoặc các phần của thiết bị có thể chịu nhiệt, axit hoặc kiềm, hoặc độ ẩm, điều đã hạn chế những lựa chọn phát triển công nghệ mới của các kỹ sư. Với phương pháp này, có thể chế tạo ra các vật liệu dẫn điện bằng phương pháp in 3D, cho phép tạo đường điện trên bề mặt bất cứ vật liệu nào, không cần thiết phải có các bảng mạch vững chắc gây ô nhiễm môi trường.

Nhóm nghiên cứu hiện đang khám phá các dạng và chức năng khác nhau của vật liệu này. TS Xie nói: “Chúng tôi có thể làm cho vật liệu thành 2D hoặc 3D, xốp hoặc thậm chí đưa vào các chức năng khác mà không ảnh hưởng đến độ dẫn điện, sử dụng phương pháp thêm vào các trình liên kết hoặc nút khác nhau.”

KHĐS

Có thể bạn quan tâm

Tin cùng chuyên mục

Khởi nghiệp tại quê hương từ công nghệ số

Khởi nghiệp tại quê hương từ công nghệ số

Nếu nhiều bạn trẻ ở thành phố khởi nghiệp với những mô hình kinh doanh hiện đại, thì không ít bạn trẻ dân tộc thiểu số lại chọn hành trình khởi nghiệp ngay tại bản làng của mình. Họ tận dụng sức mạnh của công nghệ số để lan tỏa nét văn hóa bản địa, đồng thời đưa những sản vật vùng cao đến với thị trường và người tiêu dùng ở khắp mọi nơi.

Yên Bình khai trương mô hình hợp tác xã nông nghiệp thông minh

Yên Bình khai trương mô hình hợp tác xã nông nghiệp thông minh

Ngày 12/11, UBND xã Yên Bình phối hợp với VNPT Lào Cai tổ chức nghi thức bấm nút khai trương mô hình hợp tác xã nông nghiệp thông minh, trong khuôn khổ Lễ ký kết thỏa thuận hợp tác về chuyển đổi số, giai đoạn 2025 - 2030. Sự kiện đánh dấu bước khởi đầu quan trọng, hướng tới tăng cường hỗ trợ chính quyền số và phát triển kinh tế số tại địa phương.

Nền tảng phát triển bền vững ở Tả Phìn

Nền tảng phát triển bền vững ở Tả Phìn

Ở xã Tả Phìn, chính quyền, dữ liệu và người dân cùng kết nối trong nhịp sống số. Tả Phìn đang chuyển mình thành “xã số” ở mọi lĩnh vực, từ quản trị, kinh tế đến an sinh, tạo nền tảng phát triển bền vững.

Phát triển các dịch vụ số cho người nộp thuế

Phát triển các dịch vụ số cho người nộp thuế

Nhằm tạo thuận lợi tối đa cho người nộp thuế, ngành thuế đang đẩy mạnh cải cách, đơn giản hóa thủ tục hành chính và số hóa quy trình quản lý, đồng thời khuyến khích người dân, doanh nghiệp tham gia giám sát hoạt động của cơ quan thuế. Những nỗ lực này góp phần hiện đại hóa công tác quản lý thuế, hướng đến mục tiêu thu ngân sách vượt mốc hơn 2 triệu tỷ đồng trong năm 2025.

Nâng cao kỹ năng số cho cán bộ, công chức hải quan

Nâng cao kỹ năng số cho cán bộ, công chức hải quan

Thực hiện Nghị quyết số 57-NQ/TW của Bộ Chính trị về “Đột phá phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số quốc gia”, Chi cục Hải quan khu vực VII đã ban hành Kế hoạch hành động và thành lập Ban Chỉ đạo nhằm thúc đẩy khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số tại đơn vị.

Y tế Lào Cai - "Hiện đại, nhân văn, gần dân"

Y tế Lào Cai - "Hiện đại, nhân văn, gần dân"

Giai đoạn 2021 - 2025, ngành Y tế Lào Cai đã có bước chuyển mình toàn diện sau sáp nhập bộ máy và nhân lực của hai tỉnh Lào Cai và Yên Bái cũ. Ngành chủ động tinh gọn tổ chức, hiện đại hóa hạ tầng, thúc đẩy chuyển đổi số đồng bộ và nâng cao chất lượng dịch vụ, xây dựng hình ảnh đội ngũ y, bác sĩ gần dân, tận tâm, chuyên nghiệp, trở thành điểm tựa vững chắc của Nhân dân.

Tiến bộ sinh học và đạo đức công nghệ

Tiến bộ sinh học và đạo đức công nghệ

Công nghệ sinh học và trí tuệ nhân tạo (AI) đang tạo ra những bước tiến vượt bậc trong y học, mang lại hy vọng cho những căn bệnh hiểm nghèo tưởng chừng không thể chữa trị. Tuy nhiên, những tiến bộ này cũng tiềm ẩn những nguy cơ lớn, khi con người có thể vô tình hoặc cố ý tạo ra mối đe dọa an toàn sinh học chưa từng có.

“Đòn bẩy” cho chuyển đổi số toàn diện

“Đòn bẩy” cho chuyển đổi số toàn diện

Với quyết tâm chính trị cao và cách làm bài bản, Lào Cai đang biến chuyển đổi số từ chủ trương thành hành động cụ thể trong đời sống. Từ cơ quan Đảng, chính quyền đến từng thôn, tổ dân phố, phong trào chuyển đổi số đã lan tỏa sâu rộng, góp phần hiện đại hóa bộ máy, nâng cao năng suất, hiệu lực quản lý và chất lượng phục vụ Nhân dân.

Phường Trung Tâm quyết tâm “làm đến đâu, sạch đến đó”

Chiến dịch 90 ngày làm giàu, làm sạch dữ liệu đất đai: Phường Trung Tâm quyết tâm “làm đến đâu, sạch đến đó”

Chỉ sau hai tháng triển khai chiến dịch 90 ngày làm giàu, làm sạch dữ liệu đất đai, phường Trung Tâm đã hoàn thành gần 90% khối lượng công việc, với hơn 3.400 hồ sơ đất đai, nhà ở và thẻ căn cước công dân được thu thập. Kết quả này cho thấy sự vào cuộc quyết liệt, đồng bộ của cả hệ thống chính trị địa phương trong quá trình chuyển đổi số và hiện đại hóa quản lý đất đai.

fb yt zl tw